Halleyova kometa. Obrazový kredit: MPAE. Klikni pro zvětšení.
Jako profesor Emeritus z institutu Maxe Plancka má Dr. Kissel celoživotní oddanost studiu komet. „Počátkem 20. století vedly kometové ocasy k postulaci a později k detekci„ slunečního větru “, proud ionizovaných atomů neustále foukaný ze slunce. Jak se astronomická pozorování staly silnějšími, bylo možné identifikovat stále více a více složek, jak pevné částice, tak plynné molekuly, neutrální a ionizované. “ S tím, jak se naše techniky studia těchto vnějších slunečních soustav návštěvníkům stávají rafinovanějšími, mají i naše teorie toho, z čeho by mohly být složeny - a jak vypadají. Kissel říká: „Mnoho modelů bylo navrženo k popisu dynamického vzhledu komety, z níž byl Fred Whipple zřejmě nejslibnější. Předpokládalo jádro vytvořené z ledu a prachu. Pod vlivem slunce by vodní led sublimoval a urychlil prachové částice podél jeho cesty. “
Přesto to bylo tajemství - tajemství, které věda chtěla vyřešit. "Dokud nebylo Halley známo, že mnoho komet je součástí naší sluneční soustavy a obíhá kolem Slunce stejně jako planety, jen na jiných drahách jiného typu a s dodatečnými efekty v důsledku emise materiálů." komentáře Kissel. Ale jen tím, že jsme se s kometou přiblížili a osobně, se nám podařilo objevit mnohem více. Když se Halley vrátil do naší vnitřní sluneční soustavy, byly vytvořeny plány na chytání komety a jmenovala se Giotto.
Giottovým posláním bylo získat barevné fotografie jádra, určit elementární a izotopické složení těkavých složek v kometární koma, studovat mateřské molekuly a pomoci nám pochopit fyzikální a chemické procesy, které se vyskytují v kometární atmosféře a ionosféře. Giotto by jako první zkoumal makroskopické systémy plazmatických toků, které jsou důsledkem interakce kometární-sluneční vítr. Na prvním místě seznamu priorit bylo měření rychlosti produkce plynu a určování elementárního a izotopického složení prachových částic. Pro vědecké bádání bylo rozhodující tok prachu - jeho velikost a rozložení hmoty a zásadní poměr prach-plyn. Když palubní kamery zobrazovaly jádro z 596 km daleko - určovaly jeho tvar a velikost - sledovaly také struktury v prachovém kómatu a studovaly plyn pomocí neutrálních i iontových hmotnostních spektrometrů. Jak vědělo podezření, Giotto mise našla plyn být převážně voda, ale to obsahovalo oxid uhelnatý, oxid uhličitý, různé uhlovodíky, stejně jako stopa železa a sodíku.
Jako vedoucí výzkumu týmu pro misi Giotto si Dr. Kissel vzpomíná: „Když přišly první zblízka mise na kometu 1P / Halley, bylo v roce 1986 jasně identifikováno jádro. Bylo to také poprvé, kdy částice prachu, kometa Uvolněné plyny byly analyzovány in situ, tj. bez zásahů člověka ani transportu zpět na zem. “ Byl to vzrušující čas v kometárním výzkumu, díky Giottově vybavení mohli vědci jako Kissel nyní studovat data jako nikdy předtím. „Tyto první analýzy ukázaly, že částice jsou intimní směsí vysoce hmotného organického materiálu a velmi malých prachových částic. Největším překvapením bylo bezpochyby velmi tmavé jádro (odrážející pouze 5% světla, které na něj svítilo) a množství a složitost organického materiálu. “
Ale byla kometa opravdu něčím víc nebo jen špinavou sněhovou koulí? "Až do dneška neexistuje - podle mých znalostí - žádné měření, které by ukazovalo na existenci pevného vodního ledu vystaveného na povrchu komety." říká Kissel: „Zjistili jsme však, že voda (H2O) jako plyn by se mohla uvolňovat chemickými reakcemi probíhajícími, když je kometa stále více zahřívána sluncem. Důvodem by mohlo být „latentní teplo“, tj. Energie uložená ve velmi chladném kometárním materiálu, který získával energii intenzivním kosmickým zářením, zatímco prach prošel mezihvězdným prostorem přerušením vazby. Velmi blízko modelu, o který se již roky staral J. Mayo Greenberg. “
Nyní víme, že kometa Halley sestávala z nejprimitivnějšího materiálu, který je v naší sluneční soustavě znám. S výjimkou dusíku byly znázorněné světelné prvky v hojnosti podobné jako u našeho Slunce. Bylo určeno několik tisíc prachových částic jako vodík, uhlík, dusík, kyslík - stejně jako minerální prvky, jako je sodík, hořčík, křemík, vápník a železo. Protože byly lehčí elementy objeveny daleko od jádra, věděli jsme, že to nejsou částice ledu. Z našich studií chemie mezihvězdných hvězd obklopujících plyn jsme se dozvěděli, jak molekuly uhlíkového řetězce reagují na prvky jako dusík, kyslík a ve velmi malé části na vodík. V extrémním chladu vesmíru mohou polymerizovat - změnit molekulární uspořádání těchto sloučenin za vzniku nových. Měly by mít stejné procentuální složení jako původní, ale měly by větší molekulovou hmotnost a různé vlastnosti. Jaké jsou však tyto vlastnosti?
Díky některým velmi přesným informacím z blízkého setkání sondy s Comet Halley, Ranjan Gupta z Interuniverzitního centra astronomie a astrofyziky (IUCAA) a jeho kolegové učinili několik velmi zajímavých zjištění s kompozicí prachového prachu a rozptylovými vlastnostmi. Od začátku misí na komety byly „prolétáním“, veškerý zachycený materiál byl analyzován na místě. Tento typ analýzy ukázal, že kometární materiály jsou obecně směsí silikátů a uhlíku v amorfní a krystalické struktuře vytvořené v matrici. Jakmile se voda vypaří, velikost těchto zrn se pohybuje od submikronů do mikronů a jsou velmi porézní povahy - obsahují nesférické a nepravidelné tvary.
Podle Gupty byla většina raných modelů rozptylu světla z takových zrn „založena na pevných koulích s konvenční Mie teorií a teprve v posledních letech - když kosmické mise poskytovaly silné důkazy proti tomu - byly vyvinuty nové modely tam, kde - k reprodukci pozorovaného jevu byla použita sférická a porézní zrna “. V tomto případě je kometa způsobena lineární polarizací z dopadajícího slunečního světla. Omezeno na rovinu - směr, ze kterého je rozptýleno světlo - se mění podle polohy, když se kometa přibližuje nebo opouští od Slunce. Jak vysvětluje Gupta: „Důležitým rysem této polarizační křivky versus úhel rozptylu (označovaný jako geometrie komety Slunce-Země) je, že existuje určitý stupeň negativní polarizace.“
Tato negativita, známá jako „zpětný rozptyl“, se vyskytuje při monitorování jediné vlnové délky - monochromatického světla. Algoritmus Mie modeluje všechny akceptované procesy rozptylu způsobené sférickým tvarem, přičemž zohledňuje vnější odraz, vícenásobné vnitřní odrazy, transmise a povrchové vlny. Tato intenzita rozptýleného světla funguje jako funkce úhlu, kde 0? znamená rozptyl vpřed, daleko od původního směru světla, zatímco 180? znamená rozptyl zpět - zpět uděluje zdroj světla.
Podle Gupty je „zpětný rozptyl viděn ve většině komet obecně ve viditelných pásmech au některých komet v pásmech blízké infračervené (NIR).“ V současné době mají modely, které se pokoušejí reprodukovat tento aspekt negativní polarizace při vysokých rozptylových úhlech, velmi omezený úspěch.
Jejich studie použila modifikovanou DDA (diskrétní aproximaci dipólů) - kde se každé prachové zrno považuje za matici dipólů. Velké množství molekul může obsahovat vazby, které jsou mezi extrémy iontových a kovalentních. Tento rozdíl mezi elektronegativitami atomů v molekulách je dostačující, aby elektrony nebyly sdíleny stejně - ale jsou natolik malé, že elektrony nepřitahovaly pouze jeden z atomů, aby vytvořily kladné a záporné ionty. Tento typ vazby v molekulách je známý jako polární. protože má pozitivní a negativní konce - nebo póly - a molekuly mají dipólový moment.
Tyto dipóly vzájemně interagují a vytvářejí efekty rozptylu světla, jako je vyhynutí - koule větší než vlnová délka světla blokují monochromatické a bílé světlo a polarizaci - rozptyl vlny přicházejícího světla. Použitím modelu kompozitních zrn s maticí grafitových a křemičitanových sféroidů může být pro vysvětlení pozorovaných vlastností v kometárním prachu vyžadován velmi specifický rozsah velikosti zrn. "Náš model však také nedokáže reprodukovat negativní odvětví polarizace, které je pozorováno u některých komet." Ne všechny komety ukazují tento jev v pásmu NIR 2,2 mikronů. “
Tyto modely kompozitních zrn vyvinuté Gupta et al; bude třeba dále upřesnit, aby se vysvětlila záporná polarizační větev a také velikost polarizace v různých vlnových délkách. V tomto případě se jedná o barevný efekt s vyšší polarizací v červeném než zeleném světle. Připravují se rozsáhlejší laboratorní simulace kompozitních zrn a „Studium jejich vlastností rozptylu světla pomůže při zdokonalování těchto modelů.“
Mankindovy úspěšné začátky sledováním této stopy prachového prachu začaly Halley. Vega 1, Vega 2 a Giotto poskytly modely potřebné pro lepší výzkumné vybavení. V květnu 2000 dr. Franz R. Krueger a Jochen Kissel z Institutu Maxe Plancka zveřejnili svá zjištění jako „První přímá chemická analýza mezihvězdného prachu“. Kissel říká: „Tři z našich hmotnostních spektrometrů s dopadem prachu (PIA na palubě GIOTTO a PUMA-1 a -2 na palubě VEGA-1 a -2) se setkaly s Comet Halley. S těmi jsme dokázali určit základní složení kometárního prachu. Molekulární informace však byly jen okrajové. “ Blízké setkání Deep Space 1 s Comet Borrelly vrátilo ty nejlepší obrázky a další dosud získané vědecké údaje. V týmu Borelly Dr. Kissel odpověděl: „Novější mise v Borrelly (a STARDUST) ukázala fascinující detaily povrchu komety, jako jsou strmé 200 metrů vysoké svahy a věže asi 20 metrů široké a 200 metrů vysoké.“
Navzdory mnoha problémům mise se Deep Space 1 ukázal jako naprostý úspěch. Podle protokolu misí Dr. Raye Raymana z 18. prosince 2001: „Množství vědeckých a technických údajů vrácených touto misí bude analyzováno a použito pro nadcházející roky. Testování vysoce rizikových vyspělých technologií znamená, že mnoho důležitých budoucích misí, které by jinak byly nyní nedostupné nebo dokonce nemožné, je nyní na dosah. A jak všichni makroskopičtí čtenáři vědí, bohatá vědecká sklizeň z komety Borrelly poskytuje vědcům fascinující nové pohledy na tyto důležité členy rodiny sluneční soustavy. “
Nyní Stardust učinila naše vyšetřování jen o krok dále. Při shromažďování těchto primitivních částic z Comet Wild 2 budou prachová zrna bezpečně uložena v aerogelu pro studium po návratu sondy. Donald Brownlee z NASA říká: „Prach z komety bude také studován v reálném čase pomocí hmotnostního spektrometru s časem letu odvozeného od nástroje PIA, který je nosen pro kometu Halley na misi Giotto. Tento nástroj poskytne údaje o materiálech organických částic, které nemusí přežít zachycení aerogelu, a poskytne neocenitelný soubor dat, který lze použít k vyhodnocení diverzity mezi komety porovnáním s údaji Halleyho prachu zaznamenanými stejnou technikou. “
Tyto částice mohou obsahovat odpověď, která vysvětluje, jak mezihvězdný prach a komety mohly nasát život na Zemi tím, že poskytnou fyzikální a chemické prvky klíčové pro jeho vývoj. Podle Browlee, „Stardust zachytil tisíce částic komety, které budou vědci z celého světa vráceny k analýze, v důvěrných detailech.“ Tyto vzorky prachu nám umožní ohlédnout se asi před 4,5 miliardami let - poučit nás o základní povaze mezihvězdných zrn a jiných pevných materiálů - samotných stavebních kamenech naší vlastní sluneční soustavy. Oba atomy na Zemi a v našich vlastních tělech obsahují stejné materiály, jaké uvolňují komety.
A to se stále zlepšuje. Nyní na cestě do komety Comet 67 P / Churyumov-Gerasimenko se Rosetta ESA ponoří hlouběji do tajemství komet, když se pokouší o úspěšné přistání na hladinu. Podle ESA bude zařízení jako „Analyzátor nárazu zrna a akumulátory prachu (GIADA) měřit počet, hmotnost, hybnost a distribuci rychlosti prachových zrn přicházejících z jádra komety a z jiných směrů (odráží se tlakem slunečního záření) - zatímco Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) bude studovat prachové prostředí kolem komety. Poskytne informace o populaci částic, velikosti, objemu a tvaru. “
Jedna kometární částice by mohla být složena z miliónů jednotlivých mezihvězdných prachových zrn, což by nám umožnilo nový pohled na galaktické a mlhovinové procesy zvyšující naše porozumění kometám i hvězdám. Stejně jako jsme vyráběli aminokyseliny v laboratorních podmínkách, které simulují to, co se může vyskytnout v kometě, většina našich informací byla získána nepřímo. Pochopením polarizace, absorpce vlnové délky, vlastností rozptylu a tvaru křemičitého prvku získáme cenné znalosti o fyzikálních vlastnostech toho, co ještě musíme prozkoumat. Rosetta si klade za cíl přivést lander k jádru komety a nasadit jej na povrch. Landerská věda se zaměří na in-situ studium složení a struktury jádra - bezkonkurenční studium kometárního materiálu - a poskytne vědcům, jako je Dr. Jochen Kissel, cenné informace.
4. července 2005 dorazí mise Deep Impact do chrámu Comet 1. Pohřben pod jeho povrchem může být ještě více odpovědí. Ve snaze vytvořit nový kráter na povrchu komety se uvolní hmota 370 kg, která dopadne na sluncem zalitou stranu Tempel 1. Výsledkem bude nové vypuštění ledových a prachových částic a další porozumění kometám tím, že budeme pozorovat změny aktivity. Létající letoun bude sledovat strukturu a složení vnitřku kráteru - předávat data zpět odborníkovi na zemský prach, Kissel. "Deep Impact bude první, kdo simuluje přirozenou událost, dopad pevného těla na jádro komety." Výhodou je, že doba nárazu je dobře známa a kosmická loď je řádně vybavena, když dojde k nárazu. To určitě poskytne informace o tom, co je pod povrchy, ze kterých máme obrázky z předchozích misí. Mnoho teorií bylo vytvořeno tak, aby popisovalo tepelné chování jádra komety, vyžadující křižovatky tlusté nebo tenké nebo jiné rysy. Jsem si jist, že všechny tyto modely budou muset být po Deep Impact doplněny novými. “
Po celoživotním kometárním výzkumu dr. Kissel stále sleduje prachovou stopu: „Je to fascinace výzkumu komet, že po každém novém měření jsou nová fakta, která nám ukazují, jak jsme se mýlili. A to je stále na poměrně globální úrovni. “ Jak se naše metody zlepšují, zvyšuje se i naše porozumění těmto návštěvníkům z Oortova mraku. Kissel říká: „Situace není jednoduchá a mnoho jednoduchých modelů popisuje globální kometární aktivity docela dobře, zatímco detaily ještě musí být zpracovány a modely včetně aspektů chemie ještě nejsou k dispozici.“ Pro muže, který tam byl od samého začátku, pokračuje práce s Deep Impact význačnou kariérou. "Je to vzrušující být součástí toho," říká dr. Kissel, "a já jsem dychtivý vidět, co se stane po Deep Impact, a jsem vděčný, že jsem jeho součástí."
Poprvé budou studie probíhat hluboko pod povrchem komety a odhalí její nedotčené materiály - od svého vzniku nedotčené. Co leželo pod povrchem? Doufejme, že spektroskopie ukazuje uhlík, vodík, dusík a kyslík. Je známo, že produkují organické molekuly, počínaje bazickými uhlovodíky, jako je například metan. Zvýší se tyto procesy při vytváření polymerů? Najdeme základ pro uhlohydráty, sacharidy, lipidy, glyceridy, proteiny a enzymy? Následující stopa prachu může velmi dobře vést k založení nejúžasnější ze všech organických látek - kyseliny deoxyribonukleové - DNA.
Napsal Tammy Plotner
